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$%$&’($)&! 铝合金厚板热处理工艺研究
张 华,

谢延翠, 于洪伟
(东北轻合金有限责任公司, 黑龙江 哈尔滨 !&%%)%)
摘要: 研究了 !"!# 合金淬火温度、 转移时间、 停放时间、 双级时效等因素与组织性能的关系, 确定了 !"!#&-!.#/ 厚板 的生产制度: 淬火温度为 5!"E , 转移时间 2#G 内, 拉伸量 /8#9D28#9, 淬火到时效的间隔时间 25 F 内, 双级时效制度为 其中二级时效温度是影响板材综合性能的主要因素。 /2"E #FH/."E /;F, 关键词: !"!# 铝合金; -!.#/ 状态; 厚板; 淬火; 双级时效 中图分类号: -I"/5.82/ 文献标识码: $ 文章编号: (2""2) /""!&!2:# ":&""/2&":

*+,-. /0 123+ (423+526+ 74/8299 /0 $%$&’($)&! :;,5<6<,5 :;;/. 7;3+2
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随着飞机飞行速度的提高,对飞机用铝合金材料 不仅要求有高的强度, 而且还要有良好的韧性、 抗应力 腐蚀性能和抗剥落腐蚀性能。!"!# 属于 $%&’(&)*&+, 系超硬铝合金, 其板材广泛应用于飞机的框架、 整体壁 板、 起落架、 蒙皮等。该合金 -.#/ 状态强度高, 但断裂 韧性和抗应力腐蚀较差,不能满足现代航空工业的需 是目前国外 求, 而 -!.#/ 状态板材有良好的综合性能, 飞机广泛使用的材料。 本试验结合工业生产,研究淬火和时效等工艺对 性能的影响, 确定 -!.#/ 状态板材 !"!# 合金厚板组织、 的热处理工艺制度,生产出性能符合 $0-)12"3)&3# 标准要求的产品, 满足我国航空工业发展的需要。
0? @A

表!
+,

$%$& 合金各元素的质量分数
)( )* +> ’( -?

I
其他 单个 合计

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"85" "8#" /82D28" "8:" 28/D283 "8/;D"82; #8/D.8/ "82" "8"# "8/# 余量

合金中起主要作用的元素是 ’( 和 )*=合金中加入

+, 能提高合金的塑性、抗应力腐蚀性能及重复载荷下
起细 的持久强度。添加 +> 和 -? 改善合金的铸造性能, 化 晶 粒 作 用 ,同 时 +> 还 能 改 善 合 金 的 抗 应 力 腐 蚀 性 能。 )( 能改善合金的耐蚀性, @A 、 0? 杂质对腐蚀和淬 火敏感性有不利影响,特别是对断裂韧性的影响尤为 严重, 应加以控制。 本试验选用半连续水冷铸造法生产的断面尺寸

/
!"!





:"" BBC/ 2"" BB 的 !"!# 合金铸锭,其化学成分符合
表 / 的要求, 经 5#"D5."E 5/ F 均 匀 化 处 理 , 刨边、 锯 切、 铣面后, 在金属温度 :!"D5/"E热轧制厚度 2"8" BB 的板材, 切取横向试样, 供试验用。

试验用材料的制备

!"!# 合 金 化 学 成 分 见 表 /。 板 材 的 性 能 要 求
($0-)12"3)&3#) 为: ! 4!53" )67, !
"82

!5/# )67,

" #!#9, # !:;9<$+0。
收稿日期: 2""/&/2&": 作者简介: 张

!"#

试验内容

华(/3.#&) , 男, 黑龙江哈尔滨人, 高级工程师。

*$$*,BC;D #$E F #















!#

(!) 淬火温度分别为: "#$, ""$, "%$, "&$, "’$, "($, 保温时间 ’$ ,-., 在流动 ")$, %$$, %!$, %*$, %#$+ , 的室温水中淬火, 然后进行 !*$+ !& / 时效。 (*)淬火转移时间分别为 : !$, *$, *%, #$, "$, &$ 0, 然后进行 !*$+ !& / 时效。 (#)淬火停放时间分别为: !, ", (, !*, !&, *", "( /, 然后进行 !*$+ !& / 时效。 (") 双级时效试验。采用正交设计法, 试验表选定 (#") , 根据 ’222 系合金有关标准提供的 3’&%! 状态 1) 双级时效制度, 选定 一 级 时 效 温 度(! )及 时 效 保 温 时 、 二级时效温度(# )及时效保温时间($)水平 间(" ) 参数,研究其时效温度、时间因素与水平间的搭配关 系。正交表见表 *。 在工业生产中, 淬火采用盐浴炉, 炉温均匀性 4*+ ; 双级时效采用空气炉, 炉温均匀性 4"+ 。 表$
水平 温度(! ) ! +

的强度有所降低。我们知道, 随着淬火温度升高, 固溶 体中的原子的扩散愈激烈, 所形成的空位愈多, 电子受 到散射的几率也愈大, 电子导电的自由程变短, 电导率 就愈低, 因此 ’$’% 合金的电导率随着淬火温度的升高 而有下降的趋势。

正交设计方案 %& (#’)
二级时效 温度(# ) ! + 时间($ ) ! / 时间(" ) ! /

一级时效

! * #

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检测方法 (!)性 能 检 测 按 56378*$) 标 准 的 要 求 进 行 , 每

取平均值。 组测 # 个试样, (*) 晶间腐蚀试验按 98%*%% 要求进行。 剥落腐蚀试验按 98%"%% 要求进行。 (#) (")应力腐蚀试验按 98%*%" 要求进行, 每组测 # 个试样, 取平均断裂时间作为应力腐蚀寿命。 测量 (%)电导率用国产 ’%$! 型涡流电导仪测定, 前均用标准块进行校准,在 # 个试样上分别测 # 个数 据, 取平均值。

*

试验结果及分析
将试样在 "#$:%*$+ 加热 ’$ ,-. 淬火, 时效制度为

性能的影响 $"! 淬火温度对板材组织、 不同淬火温度对板材性能的影响见图 !。随 !*$+!& /, 着淬火温度提高, 强度升高, 在 "’$+ 达到最佳值。淬火 温度继续提高, 强度变化不明显, 温度升至 %$$+ 以后, 强度降低, 而伸长率当淬火温度高于 ")$+ 时才略有降 低。电导率随着淬火温度升高而降低。分析认为, 当淬 随着淬火温度提高强化相固溶越 火温度小于 "’$+ 时, 充分, 时效后使强度提高; 当 温 度 达 "’$+ 并 继 续 升 高 时, 已充分固溶, 时效后强度无明显变化。观察淬火温 , 强化相固溶充分, 度为 "’$+ 的板材显微组织(图 *) 显微 残留相少, 晶界清晰。淬火温度升至 %$$:%#$+ 时, 组织未出现过烧迹象, 晶粒略有长大, 晶界变粗, 合金 由上述分析可知, ’$’% 合金与其他 5;<=.<7><?@ 系合金一样,淬火处理温度范围较宽, "&$:"($+ 区间, 力学性能综合指标较好, 为此淬火温度选择为 "’$+。 性能的影响 $"$ 淬火转移时间对板材组织、 将 试 样 经 "’$+ 加 热 ’$ ,-. 淬 火 ,转 移 时 间 !$: 时效制度为 !*$+!& /。不同转移时间对板材性能 A&$0, 的影响见图 #。淬火转移时间在 *% 0 以内, 强度变化较 强度明显降低, 电导率升 小, 当转移时间超过 *% 0 时 , 高。这是由于随着转移时间的延长, 固溶体发生了部分 分解, 过饱和固溶体的浓度降低, 当过饱和固溶体分解 时, 靠近晶界处的过饱和固溶体首先分解, 析出相沿晶

)-















&$$&,HIJ* 6$< K 6

界析出, 造成沿晶界周边形成含 !" 较低的贫乏带, 使板 材出现晶间腐蚀。同时随淬火转移时间的延长, 析出物 增加, 电子导电的自由程增加, 从而使 #$#% 合金的电导 率上升。 综上所述, 确定淬火转移时间控制在 &% ’ 以内。

试验, 从而确定时效制度。为了减少试验误差, 在工业 加 热 #$ /0", 水 条件下, 选 用 最 佳 的 淬 火 工 艺( -#$. , 淬, 转移时间 &$’) , 预拉伸永久变形量 &+, 进行时效试 对正交试验结果数据进行处理后, 验。 试验结果见表 6, 找出双级时效各因素对各项性能的影响规律, 见表 -。 表#
试验序号 #

正交试验结果

$ ! " " D! A8E " $*& ! A8E # % ! +$! + F>G? ) & 6 ) & 6 ) & 6 ) & 6 & 6 ) 6 ) & ) & 6 6 ) & & 6 ) -3$ %6# %3& %-) %%) -16 %%# -3# %&% 6#3 -31 %$6 -## %$$ -$& %$# 611 -%5 )&*% )&*& )&*))*% ))*# )&*)&*3 )&*# ))*& -$*3 6#*1 66*6 63*3 66*% -$*5 6&*6 -$*% 65*6

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!"# 预拉伸量对板材应力的影响 #$#% 合金淬火时,由于在板材厚度方向冷却速度
不均匀, 淬火后在板材的表层金属受到压应力, 中心层 金属受到拉应力,板材在随后的加工和使用过程中极 易产生翘曲变形。对淬火厚板进行纵向拉伸变形, 会使 板材残余应力降低, 板形平直。拉伸量过小, 残余应力 得不到充分消除; 拉伸量过大, 会使板材表面产生滑移 线。本试验根据 #((( 系合金的拉伸经验,选择 )*%+,

5

表$
指标 抗拉强度 屈服强度 伸长率 电导率 综合

各因素对各性能影响情况
直观分析 影响显著因素

# &$6!6"& # &$6!6"& # )$)$&!)"& # 6$6!)") # &$6!&")

!6"& !6"& !)"& !)$6 !"

&*%+的拉伸量。 !"$
淬火至人工时效的间隔时间对板材组织、性能的 影响 淬火, 预 拉 伸 量 &+ , 将 试 样 经 -#$. 加 热 #$ /0", 停放时间 ),-1 2, 时效制度为 )&$.)3 2, 不同停放时间 其 对板材性能的影响见图 -。在 ),-1 2 的停放时间内, 力学性能及电导率变化平稳, 这说明 #$#% 合金的停放 效应不明显, 根据实际生产情况, #$#% 合金板材停放时 间选择为 &- 2 以内。 由正交试验数据处理的结果可知, 因素 !、 (二级 " 时效温度及时间) 对性能影响非常显著。 这是由于一级 为成核过 时效时, 合金中形成弥散程度较高的 7*8 区, 程, 二级时效是一种过时效行为, 是核的长大过程, 形 成 大 量 的 过 渡 相(! 9)和 少 量 的 平 衡 相 :! ;< 由 于 基 体 组织的变化,合金的强度随二级时效温度的升高及时 间的延长而下降 <而电导率则提高。若二级时效温度过 低, 则合金的电导率达不到标准要求。综合考虑二级时 效温度对各水平的综合性能的影响,确定二级时效温 ()3$. ) 。二级时效保温时间 " 对各项指标的 度为 !& 影响程度处于第二位,各项指标随着二级时效保温时 间延长而变化的趋势和二级时效温度变化的趋势相 ()1 2) 。 一级时效 似, 同理确定二级时效保温时间为 ") 温度和一级时效保温时间对各项性能的影响均不显 著, 从提高抗拉强度和电导率的角度出发, 一级时效温 ()&$. ) 、 (% 2) 。综上 度和保温时间分别确定为 # & $6 所述, 确定 #$#% 合金板材双级时效制度的四个参数的 最佳配合为: 即: # &$6!&"), )&$. % 2=)3$. )1 2。 在试验条件下, 板材按此双级时效制度进行处理, 检测其力学性能、 电导率、 晶间腐蚀、 剥落腐蚀和抗应 其性 能 符 合 >?@AB&$5AC5% 力腐蚀性能, 结果见表 %, 性能的影响 !"% 双级时效对板材组织、 采 用 正 交 试 验 表 45(6 ) , 对 #$#% 合 金 板 材 进 行
-

标准的要求, 其抗应力腐蚀性能得到明显提高。

(下转第 && 页)

$WW$,C-D) !W# X !















""

时在晶界和晶内石墨相位置形核沿横向生长。

由界平面向胞状晶转变。 使铝带坯的力学 (!)石 墨 相 对 铝 液 有 污 染 作 用 , 性能变坏。 铝液的凝 (%)石 墨 润 滑 使 系 统 的 导 热 热 阻 增 大 , 固速度降低, 从而铸轧速度降低。

!

结 论
(") 铝铸轧过程中 #使用石墨润滑剂能获得良好的

铝带坯表面质量, 可防止粘辊。 使凝固组织 ($)石 墨 相 会 影 响 铝 液 的 凝 固 方 式 ,

参 考 文 献&
’"( ’$( ’!( ’%(
马锡良) 铝带坯连续铸轧生产’*() 长沙& 中南工业大学出版社#"++$)

,-./012 3 4# *56789 6# :96; < = >6? @?A-6?B = C) *5.2-B;29.;92>D =1E1.;B 56 FG56 3G11; FH56 I-DD J>B; 4D9A569A 4DD-0B’<() *>;125>DB 3.516.1 K-29A# "++L ,$"MN$$$# !LMN!M$) 罗春辉) 铝材轧制工艺润滑与表面质量’<() 润滑与密封, "++O#P"Q&%$) 孙建林,罗春辉,陈先波) 铝材润滑剂 (基础的) 润滑性能评价’<() 润滑与密封#"++!#POQ&!%)

’O( />A-;- : R)4DNJP4D9A569ANJ>2S-6Q’<()<-926>D -E TG>B1 @U95D5S25># "++$# "!P"Q& LVNL+) !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! (上接第 ’- 页) 综上所述, 在试验条件下, 确 定 MWMONFMLO" 厚 板 表 ! "#"!$%"&!’ 厚板 ()#*# ++,的性能 热处理及预拉伸工艺为: 淬火温度 %MW[ , 转移时间 $O 项目 " S! *T> " W)$!*T> # O!\ $ !\_4J3 抗应力腐蚀 !G 晶间腐蚀 剥落腐蚀 拉伸量 ")O\]$)O\, 时效间隔时间 $% G 以内, 时效 B 内, 试验料 O$" 无 %LM "")$ !+)% aM$W T 标准 !%+W !%"O !O !!V 制度 "$W[ OG^"LW["V G。在工业生产条件下生产 $W AA 厚板,测定力学性能为: " S— O"%]O!O *T>, " W)$— 分析认为, 在应力腐蚀试验时, 阳极区在腐蚀介质 %LL ]%V! *T>, # O— "")$\ ]"!)%\ #$ — !V)M\ ]%")"\ 作用下发生溶解, 出现了腐蚀裂口即裂纹源, 而应力的 _4J3# 完全达到了 43F*‘$W+NVV 标准的要求。 存在将加速阳极相的溶解, 加速腐蚀进程, 同时在腐蚀
裂口处产生应力集中, 当此应力超过材料抗拉强度时, 裂纹进一步扩展, 发生局部断裂。如此周而复始, 即产 生低于屈服强度应力作用下的应力腐蚀断裂。因此, 提 高合金的抗裂纹扩展能力和抗腐蚀性能是提高抗应力 使晶内析 腐蚀性能的主要途径。 MWMO 合金经 FML 处理, 出相由峰值时效 (FL) 的 Y)T 区和 ! Z 相变为过时效 (FML) 的 ! Z 和 ! 相, 提高了合金抗裂纹扩展能力。 晶 界析出物由线状分布变为不连续的点状分布,使晶界 不能形成阳极腐蚀通道, 提高了合金抗腐蚀性能。

!





(") 转移时间 $O B MWMONFMLO" 厚板淬火温度为 %MW[, 内, 拉伸量 ")O\]$)O\, 淬火至时效的间隔时间为$%G 内。 其中 ($)双 级 时 效 制 度 为 "$W[ O G^"LW[ "VG, 二级时效温度是影响板材综合性能的主要因素。 按本研究确定的热处理制度批量生产的 MWMON (! ) 具有良好的抗应力腐蚀性能, 较好 的 力 学 FMLO" 厚板, 性能, 其技术指标达到 43F*‘$W+*N+O 标准的要求。


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